JP3632676B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に係り、特に燃料ガスをエゼクタにより再循環させる燃料電池システムにおいて、燃料ガス循環配管内のガス置換を改善した燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を含んだ燃料ガスを燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境性に優れている。
【０００３】
また、近年、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化が可能であり、酸水溶液が不要な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用いた燃料電池の方式として注目されている。
【０００４】
燃料電池において、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを再循環して、外部から新たに供給される水素の濃い燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案されている。
【０００５】
燃料電池の発電効率は、再循環させる排出燃料ガス量と、新たに外部から供給される燃料ガス量を、ある一定の比率以上に保つことで向上することが知られている。二つの流れを混合させる循環装置として、供給燃料ガスの流速による負圧と引きずり込みを利用するエゼクタが用いられる。
【０００６】
エゼクタを使用して燃料ガスを循環させる燃料電池システムとしては、例えば、特表平１０−５１１４９７号公報に記載されたものがある。この従来技術によれば、燃料ガス入口配管と燃料ガス循環配管とを接続して、燃料電池スタック内で消費されなかった燃料ガスの残ガスを再度スタック入口へ循環させるポンプとしてエゼクタを用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の燃料電池においては、起動時にまず、燃料電池に燃料ガスと空気を供給して、全てのアノード（燃料極）、カソード（酸化剤極）に十分な反応ガスを行き渡らせ、電力を取り出せる状態にする必要がある。
【０００８】
しかしながら、上記従来のように循環系を持つ燃料電池システムの場合、スタック内の燃料ガス通路に十分な燃料ガスが行き渡っても燃料循環配管内が十分に燃料ガスに置換されていないと、出力の取り出しを開始した途端に、燃料循環配管内に残留していた不純ガス（水素濃度の薄いガス）がアノード付近に流入し、電極反応面への十分な燃料ガス供給がなされず、セル電圧が急激に低下することがあるので、起動時に出力可能となるまでの時間（起動時間）が長くかかるという問題点があった。
【０００９】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池システムの起動時に、迅速に燃料循環配管内部を燃料ガスに置換することにより起動時間を短縮することができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、燃料電池スタックの燃料極出口から排出される未反応燃料ガスを燃料ガス循環配管を介して第１エゼクタの吸口に供給し、第１エゼクタの入口に駆動流として新規燃料ガスを供給し、前記未反応燃料ガスと前記新規燃料ガスとの混合ガスを第１エゼクタの出口から燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの空気極出口に第２エゼクタを備え、第２エゼクタの吸口に前記燃料ガス循環配管を接続し、第２エゼクタを使用するか否かを選択的に切り換える切換手段を備え、燃料電池システムの起動時に、第２エゼクタを使用するように前記切換手段を切り換えることを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックから排出される空気を駆動力とした第２エゼクタにより発生させた負圧を利用して、燃料ガス循環配管部の残留ガスを吸出すことで、燃料ガス循環配管部内も速やかに燃料ガスへと置換可能となり、起動時間の短縮を図ることが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示す構成図である。
【００１３】
燃料電池セルが積層された燃料電池スタック１の空気極入口側に設置された空気供給装置２により空気入口配管９を介して空気が供給される。空気極出口側には空気排圧制御弁７が設置され、これによりスタック空気入口圧力を所望の値に制御することができる。
【００１４】
燃料電池スタック１の燃料極入口側に設置された燃料ガス供給装置３により燃料ガスが供給される。燃料ガス供給装置３の直後には、燃料ガスシャット弁４が設置され、燃料ガスの断続を行う。そしてその下流に燃料ガス供給圧力調整弁５が設置され、そのまた下流に燃料ガス循環エゼクタ６（第１エゼクタ）が設置され燃料ガス入口配管１１につながる。
【００１５】
燃料ガス供給圧力調整弁５によりスタック入口燃料ガス圧力を所望の値に制御することができる。燃料極出口からでた燃料ガスは、燃料ガス循環配管１４により燃料ガス循環エゼクタ６のサクション部へと戻される。
【００１６】
燃料ガス循環配管１４のスタック出口近傍にはパージ弁８が設置され、水詰まり発生時に開き、一時的に燃料ガスの流量を上げることで水詰まりを解消することができる。そのパージ弁８の配管端部は空気排圧制御弁７下流に接続され、空気で希釈されてから外部へ排出される。
【００１７】
ここで、本発明の特徴となる燃料ガス置換促進エゼクタ１６（第２エゼクタ）の入口が、空気排圧調整弁７の直前（上流）に逆止弁１８を介して接続され、その出口は空気排圧制御弁７下流へと接続されている。
【００１８】
燃料ガス置換促進エゼクタ１６のサクション部（吸口）には、燃料ガス循環エゼクタ６のサクション部入口直前の燃料ガス循環配管１４から分岐した置換促進用配管１９が、置換促進用シャット弁１７（切換手段：第１開閉弁）を介して接続されている。
【００１９】
上記構成の燃料電池システムにおいて、起動時に、制御装置２４は、燃料極、空気極へそれぞれ燃料ガス、空気を供給すると共に、置換促進用シャット弁１７を開いて、燃料ガス置換促進エゼクタ１６により発生させた負圧により、燃料ガス循環配管１４内部の残留ガスを吸出し、配管内の燃料ガスへの置換を促進させる。
【００２０】
図２は、起動時の上記ガス置換動作を説明するフローチャートである。
燃料電池システムに電源が投入されると、制御装置２４により、燃料電池システム内の、図示されないセンサやアクチュエータのチェックが行われ、燃料ガス、空気の供給が可能な状態になると、本発明の起動シーケンスに入る。
【００２１】
ステップ１０では、まず置換促進用シャット弁１７を閉じ、パージ弁８を空けた後、所定の流量にて燃料ガスと空気の供給を開始する。このとき、スタック入口の燃料ガス及び空気の両ガス圧がＰｓとなるよう、燃料ガス供給圧力制御弁５と空気排圧制御弁７が制御装置２４により制御される。
これはスタック内や配管内に凝縮して溜まっている液水を排出するための動作である。
【００２２】
ステップＳ１２では、ガスの供給開始時にスタートしたタイマーの経過時間が、ｔ１秒経過したかどうかが判断され、ｔ１秒経過するまで（凝縮水の排出が終了するまで）次のステップには進まない。
次のステップＳ１４で、シャット弁１７が開かれパージ弁８が閉じ、燃料ガス配管置換促進動作に入る。
【００２３】
ステップＳ１６では、スタック入口圧力が設定値Ｐｓを一定時間ｔ２秒超える場合があるかどうかを判定し、もし、超えた場合にはステップＳ１８に、超えない場合はステップＳ２０に移行する。
ステップＳ１８に移行した場合は、流量を設定値に保とうとすると圧力が設定値を超えてしまうと判断し、パージ弁８も開くことにより、圧力が過大となることを防ぐ。
ステップＳ２０に移行した場合はパージ弁８を閉じていればそのまま、開いていた場合には閉じるように動作し、通常の圧力制御を行いつつ、置換促進動作を続ける。
【００２４】
その後ステップＳ２２に移行すると、タイマーの経過時間がｔ３秒を超え、且つスタック電圧ＶがＶｓ（セル電圧が平均的に上昇したとみなせる電圧）に達したかどうかを判定し、条件が成立していれば次のステップＳ２４に、そうでなければステップＳ１６に戻る。
【００２５】
ステップＳ２４では、シャット弁１７を閉じると同時にパージ弁８が開いていればこれも閉じる。これにより通常の燃料ガスの循環が開始される。
ステップＳ２６で負荷の取り出しが開始され、通常動作シーケンスへと移っていく。
なお、ステップＳ２２のｔ３は、定数でも良いし、運転状況によって変更しても良い。
【００２６】
たとえば、起動前の停止継続時間に応じて判定時間ｔ３を長くすると良い。停止継続時間が短ければ前回運転時に使った水素が燃料ガス循環配管内に残っているので水素置換に要する時間は短くてすむからである。したがって、置換促進動作は必要最小限として出来るだけ速く通常動作シーケンスへ移行することで、起動時間を最小限にすることが出来る。図３は、起動前停止時間に対するステップＳ２２の判定時間ｔ３の例を示すグラフである。
【００２７】
また、低負荷時に発電を一時的に停止するアイドルストップ制御を行うシステムの場合には、通常の起動時にはｔ３をある程度の長さ（１０秒程度）とし、アイドルストップ後の再起動時にはｔ３＝０とするとよい。アイドルストップ後の再起動時にも、水素が燃料ガス循環配管内に残っているのですぐに電力を取り出しても問題ないからである。したがって本実施形態でアイドルストップ制御を行ってもアイドルストップによる再起動の起動時間を無意味に延長させることは無い。
【００２８】
また、本実施形態では置換促進動作中（置換促進エゼクタ使用中）はスタック入口圧力が設定値Ｐｓを保つように制御されるが、この範囲内で、通常のアイドル発電時、あるいは置換促進エゼクタを使用しない起動時よりも高い圧力（例えば通常のアイドル発電時の１２０％）とするとより良い。
供給圧力を上げることにより、燃料ガスの供給流量を増加させ、より置換時間を短縮可能となる。
【００２９】
なお、上記の制御とは別に、スタック内の燃料ガス通路に水詰まりが発生した場合にパージ弁８を開とするとともに、燃料ガス置換促進エゼクタ１６を使用することも出来る。
【００３０】
水詰まり発生によるパージ弁８の作動時には、常に燃料ガス置換促進エゼクタ１６を使用しても良いし、水詰まり量が多いと判定された場合、あるいはパージ弁８を開としても水詰まりの解消がはかどらない場合に限り燃料ガス置換促進エゼクタ１６を使用するようにしても良い。
【００３１】
図４は、本実施形態における水つまり解消動作を説明するフローチャートであり、例えば、一定時間毎に制御装置２４により実行されるルーチンとして構成される。
【００３２】
図４において、まずステップＳ３０において、水つまりが発生しているか否かを判定する。水つまりが発生していなければ、ステップＳ３２へ移り、パージ弁８，及びシャット弁１７を閉じて、処理を終了する。
【００３３】
ステップＳ３０の判定で、水つまりが発生していれば、ステップＳ３４へ移り、水つまり量が多いか否かを判定する。水つまり量が多ければ、ステップＳ３６へ移り、パージ弁８、及びシャット弁１７を開いて、処理を終了する。
【００３４】
ステップＳ３４の判定で、水つまり量が少なければ、ステップＳ３８へ移り、パージ弁８を開く。次いで、ステップＳ４０で、パージ弁８を開いてから所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間経過していなければ、処理を終了する。ステップＳ４０の判定で、パージ弁８を開いてから所定時間が経過していれば、ステップＳ４２でシャット弁１７を開いて、処理を終了する。
【００３５】
なお、ステップＳ３０の水つまりが発生しているか否かの判定は、燃料電池の各セルの電圧から判定することが出来る。この場合、パージ弁８のみを使用した場合よりも燃料ガス流量の増加代を大きくすることにより、パージ弁のみでは間に合わなかったような大量の水詰まりによる急激なセル電圧低下でも対応可能となり、システムの非常停止を避け、運転性を向上させることができる。
【００３６】
一方、発電停止の際も燃料供給シャット弁４を閉じたあとも燃料極の残留水素によりしばらく発電が継続される。通常時にはこの発電を蓄電池に充電するなどの有効利用を図ることが出来るので問題ないが、何らかの異常事態により一刻も早く発電を停止させたい場合には、上述の制御とは別に燃料ガス置換促進エゼクタ１６を使用することで残留ガスを早期に外部へ排出して発電を早期に確実に停止させることが出来る。またこの際、パージ弁８も開とすることでより時間を短縮することが出来る。
【００３７】
また、この際には空気排圧制御弁７を全開とすることで、空気極と燃料極との間で過度の差圧がついて、膜にダメージを与えることを避けることが可能となる。
【００３８】
図５は、本実施形態における緊急停止時の動作を説明するフローチャートである。まずステップＳ５０で緊急停止か否かを判定し、緊急停止でなく通常停止であれば、ステップＳ５２へ移り、シャット弁４を閉じて終了する。緊急停止であれば、ステップＳ５４へ移り、シャット弁４を閉じるとともに，パージ弁８及びシャット弁１７を開いて、終了する。
【００３９】
以上のように本実施形態によれば、起動時に、供給空気を駆動力とした燃料ガス置換促進エゼクタにより発生させた負圧を利用して、燃料ガス循環配管部の残留ガスを吸出し、速やかに燃料ガスへと置換可能となり、起動時間の短縮を図ると共に、燃料ガス循環配管内の残留ガスが十分置換されずに起動を開始して、特定のセルが劣化することを回避できるという効果がある。
【００４０】
また、燃料ガス置換促進エゼクタ１６の入口が、空気排圧調整弁７の上流に逆止弁１８を介して接続され、その出口は空気排圧制御弁７下流へと接続されるので、前後の差圧を大きくとれるので燃料ガス置換促進エゼクタ１６による吸引効果が大きくかつ、燃料ガス置換促進エゼクタ側から空気排圧制御弁側への逆流も防止できる。
【００４１】
さらに、置換促進用シャット弁１７の開閉で燃料ガス置換促進エゼクタ１６を使用するか否かを切り換えるので、１箇所のバルブの操作のみで切換が出来かつ、燃料ガス置換促進エゼクタを使用しないときには燃料ガス置換促進エゼクタの吸口が完全に遮断されるので燃料ガス循環エゼクタの吸引作用と干渉することが無くなる。
【００４２】
〔第２実施形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す構成図である。本実施形態では、図１の第１実施形態に対し、置換促進用配管１９が分岐する循環エゼクタサクション部入口近傍の、更に循環エゼクタサクション部の近い場所に循環遮断シャット弁２１（第２開閉弁）が追加された構成となっている。その他の構成は、図１と同様である。
【００４３】
本実施形態では、燃料ガス循環配管１４内部のガス置換促進時に、この循環遮断シャット弁２１を閉じるように制御し、通常運転時には循環遮断シャット弁２１を開くように制御する。これにより、燃料ガス循環エゼクタ６に残留ガスが吸入されてスタックに混入することがなくなるので、より速やかに燃料ガス循環配管１４内の燃料ガスへの置換を促進させることが可能となる。
【００４４】
図７は、第２実施形態における起動時動作を説明するフローチャートである。第１実施形態の図２のフローチャートに対して、図７では、ステップＳ６０でシャット弁１７と同時に循環遮断シャット弁２１を閉じ、ステップＳ６２で循環遮断シャット弁２１を開いてからシャット弁１７を閉じることだけが異なる。その他の動作は全く同一であり、同一のステップには、同じステップ番号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４５】
図８は、本発明に係る燃料電池システムの第３の実施形態の構成を示す構成図である。本実施形態では、第１，第２実施形態に対し、空気供給装置２とスタック１との間に分岐配管（空気導入配管）があり、空気導入シャット弁２２（第３開閉弁）と第２逆止弁２３を介してスタック入口燃料ガス配管１１に接続されている。その他の構成は、図６の第２実施形態と同様である。
【００４６】
図９は、第３実施形態におけるシステム停止動作を説明するフローチャートである。
まずステップＳ８０で、ガス供給を停止した後、燃料供給シャット弁４を閉じ、空気導入シャット弁２２を開き、所定の流量で空気を供給する。このとき、循環遮断シャット弁２１を閉じ、シャット弁１７とパージ弁８は開く。そして、スタック入口圧力が停止時の所定圧力Ｐｓ´となるように燃料ガス供給圧力調整弁５と空気排圧制御弁７を制御する。次いでステップＳ８２で停止開始からの経過時間がｔ４を超えるまで待機し、経過時間がｔ４を超えると、ステップＳ８４へ進みシステムシャットダウンする。
【００４７】
本実施形態では、停止時にスタックの燃料極入口にも空気を供給することにより、スタック内を含めた燃料ガス配管内の未反応ガスを押し出すと共に、電極反応面では未反応ガスと空気が反応し消費されることで、速やかにスタック電圧が下がり、停止時間を短縮できる。この動作はまた、各ガス配管内の水蒸気も排出することで、次の起動までに凝縮して液水となる水の量を減らす効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す構成図である。
【図２】第１実施形態における起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】起動前停止時間に対する判定時間ｔ３の例を示す図である。
【図４】第１実施形態における水つまり排除動作を説明するフローチャートである。
【図５】第１実施形態における緊急停止動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す構成図である。
【図７】第２実施形態における起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を示す構成図である。
【図９】第３実施形態におけるシステム停止動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 空気供給装置
３ 燃料供給装置
４ 燃料供給シャット弁
５ 燃料ガス供給圧調整弁
６ 燃料ガス循環エゼクタ（第１エゼクタ）
７ 空気排圧制御弁
８ パージ弁
９ 空気スタック入口配管
１０ 燃料ガス供給配管
１１ 燃料ガススタック入口配管
１２ 空気スタック出口配管
１３ 空気排気配管
１４ 燃料ガス循環配管
１５ 燃料ガスパージ配管
１６ 燃料ガス置換促進エゼクタ（第２エゼクタ）
１７ 置換促進用シャット弁（第１開閉弁）
１８ 逆止弁
１９ 置換促進用配管
２０ 置換促進エゼクタ駆動用空気配管
２１ 循環遮断シャット弁（第２開閉弁）
２２ 空気導入シャット弁
２３ 逆止弁
２４ 制御装置

Claims (11)

1. 燃料電池スタックの燃料極出口から排出される未反応燃料ガスを燃料ガス循環配管を介して第１エゼクタの吸口に供給し、第１エゼクタの入口に駆動流として新規燃料ガスを供給し、前記未反応燃料ガスと前記新規燃料ガスとの混合ガスを第１エゼクタの出口から燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池スタックの空気極出口に第２エゼクタを備え、
   第２エゼクタの吸口に前記燃料ガス循環配管を接続し、
   第２エゼクタを使用するか否かを選択的に切り換える切換手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記切換手段は、第２エゼクタの吸口と前記燃料ガス循環配管との間に設けた第１開閉弁であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス循環配管の第２エゼクタの吸口との接続部下流に第２開閉弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 空気極出口の圧力を制御する空気排圧制御弁を備え、
   第２エゼクタを逆止弁を介して前記空気排圧制御弁と並列に接続したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池システムの起動時に、第２エゼクタを使用するように前記切換手段を切り換えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 起動前の停止継続時間に応じて第２エゼクタの使用時間を制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 第２エゼクタ使用時は、燃料電池スタックへの燃料ガス、空気の供給圧力を第２エゼクタを使用しない時よりも増加させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記燃料ガス循環配管から未反応燃料ガスを外部へ放出するパージ弁を備えた請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池スタック内に水詰まりが発生した場合に、前記パージ弁を開くと共に、第２エゼクタを使用するように前記切換手段を切り換えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
   発電停止時に第２エゼクタを使用するように前記切換手段を切り換えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 第１エゼクタの下流の燃料極入口と空気極入口とを接続する空気導入配管と該空気導入配管を開閉する第３開閉弁とを備え、
    発電停止時に燃料ガスの供給を止めると共に、第３開閉弁を開いて燃料配管へ空気を導入することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの制御方法。
11. 前記燃料ガス循環配管から未反応燃料ガスを外部へ放出するパージ弁を備えた請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    システム異常時に、燃料電池システムを緊急停止させる場合に、前記パージ弁を開くとともに、第２エゼクタを使用するように前記切換手段を切り換えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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